【生物】よくあるつまずきと直し方を図解で総まとめ—用語の混同・DNA量の数え方・遺伝の計算・グラフの読み違い｜武蔵野個別指導塾

DNA量と染色体数の図、遺伝の交配表、反応量のグラフを使い、間違えた理由をたどります。例題と練習問題を通して、用語や計算を条件に合わせて使い直す手順を確かめましょう。

よくあるのは、職員室前の廊下の長椅子で質問の順番を待ちながら、返された生物の答案を見て「DNAが2倍になるのだから、染色体数も2倍のはず」と考え込む場面です。隣の問題では遺伝の比を覚えていたのに不正解になり、グラフの問題では、上にある線を選んだ理由に赤線が引かれています。別々の知識を忘れたように見えますが、共通しているのは、何を数え、何を比べる問題なのかが途中で入れ替わっていることです。

生物の用語や図は、よく似たものの違いを表すために使われます。言葉を増やすだけでは、区別する条件が抜けたまま残ってしまいます。そこで、用語を主語と変化で言い直し、数値に「1細胞当たり」などの単位を戻し、結論の前に比較条件を確かめます。間違えた答案を、正答を写すための紙から、自分が飛ばした手順を見つけるための紙へ変えていきましょう。

この単元で身につけること

• 似た用語を、材料と結果で区別します。複製・転写・翻訳を、起こる場所の暗記だけに頼らず、何をもとに何ができるかで説明します。
• DNA量と染色体数を別々に数えます。細胞周期のどの段階かに加えて、1細胞当たりなのか、分裂後の娘細胞1個当たりなのかを確かめます。
• 遺伝の確率を、親がつくる配偶子から組み立てます。遺伝子型と表現型を区別し、独立という条件があるかを見てから確率を掛けます。
• グラフの高さと増え方を読み分けます。横軸と縦軸の名前・単位を先に読み、一定時間の増加量から平均の反応速度を求めます。
• 対照実験の役割を説明します。調べたい要因以外の条件がそろっているかを調べ、観察結果だけから言える範囲で結論を書きます。

生物基礎で学ぶDNA、細胞分裂、酵素の知識が土台になります。発展科目の生物では、その知識を複数の条件に当てはめる場面が増えるため、「用語は知っている」と「この条件で使える」を分けて確かめることが必要です。

基本の考え方

用語は「何から何へ」を添えて覚えます

複製は、DNAをもとにDNAを合成することです。転写は、DNAの塩基配列をもとにRNAを合成することです。翻訳は、mRNAの塩基配列の情報にもとづいて、アミノ酸を順につなぎ、ポリペプチドを合成することです。mRNAはタンパク質合成に用いられる情報を運ぶRNA、ポリペプチドは多数のアミノ酸がつながった鎖です。どれも遺伝情報に関わりますが、できあがる物質が違います。

「DNAがタンパク質に変わる」という表現は、この違いを隠してしまいます。DNAそのものが材料としてタンパク質になるわけではありません。情報が読み取られ、別の材料であるアミノ酸が並べられます。答案では「DNAの情報をもとに」と「DNAを材料として」を区別します。矢印を描くときも、物質の変化を示す矢印なのか、情報の伝わり方を示す矢印なのかを自分で説明できるようにします。

染色体とDNAも同じものとして置き換えないようにします。真核生物の染色体は、DNAとそれに結合するタンパク質からなります。細胞分裂の前にDNAが複製されると、1本の染色体は同じ遺伝情報をもつ2本の姉妹染色分体からなる状態になります。姉妹染色分体とは、複製によってできた同じ染色体の2つの部分です。これに対して相同染色体は、父由来と母由来で対応する染色体の組です。対応する位置に同じ種類の遺伝子がありますが、その遺伝子の型まで必ず同じとは限りません。

たとえばAとaが、同じ遺伝子座にある異なる型である場合、このような型を対立遺伝子といいます。相同染色体の片方にA、もう片方にaがあることがあります。一方、突然変異や乗換えを考えない条件で、Aをもつ染色体が複製されれば、その2本の姉妹染色分体はともにAをもちます。「似た2本」を見たときは、両親から受け継いだ組なのか、複製でできた組なのかを確認します。

数える対象と時点を先に決めます

体細胞の染色体数が2n = 4である生物を考えます。2nは、染色体の基本となる組を2組もつ二倍体の染色体数を表します。この例では相同染色体の対が2対あります。DNAがまだ複製されていないG1期では、1細胞に染色体が4本あり、染色体を構成するDNA分子も4個です。ここで数えるDNA分子は二本鎖DNA分子であり、二重らせんの片側ずつを別々には数えません。また、核の染色体のDNAに注目し、ミトコンドリアなどのDNAは計算に含めません。

S期はDNAが複製される時期です。複製が完了したG2期では、染色体はそれぞれ2本の姉妹染色分体からなり、DNA分子は合計8個になります。ただし、この段階の染色体数は4本のままです。結合している2本の姉妹染色分体を、それぞれ独立した染色体として数える段階ではないからです。図1のように「染色体数」と「DNA量」を別の行にすると、増えるものを取り違えにくくなります。

図1は本数を整理する模式図で、各時期に顕微鏡でそのまま見える形ではありません。G1期の1細胞当たりのDNA量を1とした相対値を使っています。G2期には2になり、体細胞分裂が完了した娘細胞1個では1に戻ります。図の長短2種類の線は異なる種類の染色体、同じ長さの線の組は相同染色体の対を示します。右端は娘細胞のうち1個だけです。もとの細胞全体と娘細胞2個の合計を比べるならDNA量は同じですが、1細胞当たりで比べるなら半分になります。

なお、体細胞分裂の後期には姉妹染色分体が分離し、それぞれを独立した染色体として数えます。この例では、細胞質分裂前の細胞全体で8本、各極へ移動する組で4本です。「複製後は染色体数が変わらない」という説明を、分離後にもそのまま当てはめないようにします。数値が違う答案を見たら、まず時期と集計範囲が同じかを調べます。

減数分裂では、DNA複製が1回起こった後、2回続けて分裂します。第1分裂では相同染色体が分かれ、第2分裂では姉妹染色分体が分かれます。2n = 4の例で、分裂完了後の細胞1個ずつを比べると、G1期、第1分裂後、第2分裂後の染色体数は4本、2本、2本です。G1期を1としたDNA量は、複製後に2、第1分裂後に1、第2分裂後に0.5となります。第1分裂と第2分裂の間に、DNAが再び複製されるわけではありません。

比較の言葉には基準を添えます

「多い」「速い」「強い」は、何と比べた表現かを書かなければ意味が決まりません。生成物が多いことと、ある時間帯に生成物が速く増えたことは別です。同じように、ある形質の個体が多かったことだけでは、その形質を表す対立遺伝子が優性であるとは判断できません。優性は、ヘテロ接合体で表現型に現れる関係を表す用語であり、有利さや集団内での多さを意味しません。

実験では、調べたい要因を変えた条件と、比較の基準となる対照の条件を用意します。たとえば温度の影響を調べたいとき、温度と同時に酵素量まで変えると、結果の違いを温度だけの影響として説明できません。対照とは、必ず「何も加えないもの」という意味ではありません。どの要因の影響を取り出すための比較なのかによって、適切な対照は変わります。

例題で解き方を確かめる

例題1　DNA量が同じなら染色体数も同じですか

体細胞の染色体数が2n = 6で、G1期の1細胞当たりの核DNA量を12とする生物があります。通常の減数分裂を行うとき、DNA複製完了後、第1分裂完了後、第2分裂完了後について、細胞1個当たりの染色体数とDNA量を求めます。DNA量は共通の任意単位で表すものとし、分裂中の途中段階は答えません。

1. まず、基準を「G1期の1細胞」に固定します。ここで染色体数は6本、DNA量は12です。基準を書いておくと、「半分」がどの値の半分なのかを見失いません。
2. 複製完了後はDNA量だけを2倍にします。姉妹染色分体がまだ分離していないので、染色体数は6本、DNA量は12 × 2 = 24です。
3. 第1分裂後は相同染色体の各対が別の細胞へ分配されます。細胞1個には各対の片方が入るので、染色体数は3本、DNA量は24 ÷ 2 = 12です。各染色体はまだ2本の姉妹染色分体からなります。
4. 第2分裂後は姉妹染色分体が分離して分配されます。完成した細胞1個の染色体数は3本で、DNA量は12 ÷ 2 = 6です。第1分裂後との間にDNA複製を入れないことが計算の要点です。

G1期と第1分裂後はDNA量がともに12ですが、染色体数は6本と3本で異なります。同じ量のDNAが、どのような染色体の状態に分かれているかが違うためです。DNA量から染色体数を機械的に決めるのではなく、分離した対象を説明してから数えます。

答え：複製完了後は6本・24、第1分裂完了後は3本・12、第2分裂完了後は3本・6です。

例題2　優性の表現型から遺伝子型を絞れますか

Aがaに対して完全優性である形質を考え、Aaどうしを交配します。完全優性とは、ヘテロ接合体Aaの表現型がホモ接合体AAと同じになる関係です。子の生存率に遺伝子型による差はないとします。子から優性の表現型を示す個体だけを選び、その中から無作為に1個体を取り出したとき、Aaである確率を求めます。

1. 両親の配偶子を書き出します。減数分裂で対立遺伝子が分かれるので、どちらの親もAとaをそれぞれ1/2の確率で配偶子に伝えます。親のAaを、そのまま配偶子の遺伝子型として書かないことが出発点です。
2. 配偶子の組合せを図2の交配表に置きます。縦と横を一方ずつの親にすると、AA、Aa、Aa、aaの4通りが、それぞれ1/4の確率でできます。

3. 図2の赤いaaのマスを、選ぶ対象から除きます。優性の表現型を示すという条件があるので、全4マスではなくAAと2つのAaの計3マスが新しい分母になります。
4. その3マス中、Aaは2マスです。したがって求める確率は2/3です。式では、Aaの確率1/2を優性の表現型の確率3/4で割り、(1/2) ÷ (3/4) = 2/3と求められます。

遺伝子型は対立遺伝子の組合せ、表現型はその個体に現れる性質です。遺伝子型の比1：2：1を、表現型の比3：1と混ぜないようにします。また、これらは確率にもとづく比であり、子が4個体なら必ず1個体ずつ、あるいは2個体ずつになるという意味ではありません。

答え：優性の表現型を示す子の中で、Aaである確率は2/3です。

例題3　2つの遺伝子の確率はいつ掛けられますか

Aとa、Bとbという2組の対立遺伝子について、両親がともにAaBbである交配を考えます。2つの遺伝子は異なる染色体上にあり、独立に遺伝します。どちらも完全優性で、遺伝子型による生存率の違いはないとします。子がaaで、かつBの優性形質を示す確率を求めます。

1. 問われた表現を遺伝子型へ戻します。「aaで、かつBの優性形質」はaaBBまたはaaBbです。Bの優性形質をBBだけだと考えると、Aaの表現型を整理した例題2と同じ箇所でつまずきます。
2. Aの遺伝子だけに注目して、Aa × Aaからaaの確率を1/4と求めます。次にBだけを見ると、Bb × BbからBBまたはBbの確率は1/4 + 1/2 = 3/4です。遺伝子ごとに分けると、何を足し合わせているのかが明確になります。
3. 独立という条件を確認して、両方が同時に起こる確率を掛けます。(1/4) × (3/4) = 3/16です。aaBBの1/16とaaBbの2/16を足しても、同じ結果になります。

この計算で見落としやすいのは、式そのものよりも「独立に遺伝する」という条件です。2つの遺伝子が同じ染色体上にある連鎖の場合、AaBbという表記だけでは配偶子の割合を決められません。どの対立遺伝子が同じ染色体に並ぶか、乗換えによってできる組合せがどれくらいあるかなど、追加の情報が必要になります。4種類の配偶子が常に同じ割合だと思わないようにします。

答え：aaで、かつBの優性形質を示す子の確率は3/16です。

例題4　上にある曲線のほうが速いですか

同じ酵素反応について、生成物の累積量を測ったところ、条件Aでは0、2、4、6 minの順に0、8、10、10 μmol、条件Bでは同じ時刻に0、4、8、12 μmolでした。μmolは物質量の単位で、1 μmolは0.000001 molです。ここでは図3のように測定点を直線で結んで比較します。0〜2 minと2〜4 minの平均反応速度をそれぞれ比べます。

1. 縦軸の量を確認します。累積量はその時点までにできた生成物の合計なので、点の高さを読むだけでは、その時間帯の反応速度になりません。
2. 0〜2 minの増加量を時間で割ります。Aは(8 − 0) ÷ 2 = 4 μmol/min、Bは(4 − 0) ÷ 2 = 2 μmol/minで、Aのほうが大きくなります。
3. 2〜4 minについて、同じ手順で求めます。Aは(10 − 8) ÷ 2 = 1 μmol/min、Bは(8 − 4) ÷ 2 = 2 μmol/minで、今度はBのほうが大きくなります。

4 minの点はAのほうが高い位置にありますが、直前の2 minで増えた量はBのほうが大きいことがわかります。なお、離れた測定点から求めたのは区間の平均反応速度です。特定の瞬間の速さを、この値だけで断定することはできません。

答え：0〜2 minはAが4、Bが2 μmol/min、2〜4 minはAが1、Bが2 μmol/minです。

つまずきやすいところと直し方

誤り1　複製を「DNAの量も染色体数も2倍」と書きます

誤った書き方は「S期に染色体数が2倍になり、G2期の細胞には2倍の本数がある」です。どこが違うかというと、複製されたDNAの数と、まだ分離していない染色体の数を同じものとして扱っています。図1の中央では、線の本数は増えていますが、姉妹染色分体は結び付いた状態です。

正しい書き方は「S期にDNA量が2倍になるが、G2期の染色体数はG1期と同じ」です。直すときは、染色体の絵に輪を付けて1本として数える範囲を示し、その下にDNA分子の数を別に書きます。さらに分裂後期の図なら、姉妹染色分体がすでに分離しているかを見直します。染色体が太く見えるか、X字に見えるかだけで、いつでも同じ数え方ができるわけではありません。

誤り2　AaからAかaが出るので、子はAAとaaが半分ずつです

誤った書き方は「Aa × AaではAとaが半分ずつなので、AA：aa = 1：1になる」です。どこが違うかというと、片方の親から来る配偶子だけを考え、もう片方の親との組合せを省いています。Aとaが合わさるAaという組合せは、父からA・母からaの場合と、その逆の場合の両方があります。

正しい書き方は「両親がAとaを1/2ずつ配偶子に伝えるので、AA：Aa：aaの確率の比は1：2：1」です。図2のように配偶子を外側、子の遺伝子型を内側に分けると、親・配偶子・子が混ざらなくなります。条件付きの問題では、さらに「どの子の中から選ぶか」を囲みます。計算の分母を変えるのは、その条件を受け取った後です。

誤り3　曲線の高さと、実験の原因を一度に決めます

誤った書き方は「図3で4 minのAはBより上だから、Aの反応はその時間帯でも速く、Aでは酵素が強く働くといえる」です。どこが違うかは2段階あります。まず、累積量の高さからその区間の速度を判断しています。次に、AとBで何を変えたかが示されていないのに、酵素の働きについて原因を決めています。

正しい書き方は「4 minまでの累積量はAのほうが多いが、2〜4 minの平均反応速度はBのほうが大きい。原因の判断には条件の比較が必要である」です。図3のように、Aの線が上にある区間でもBの線の傾きが大きいことがあります。グラフの縦軸が反応速度そのものなら、高さで速度を比べます。どのグラフでも傾きを読めばよいわけではなく、軸が表す量が判断方法を決めます。

また、Aの4〜6 minの線が水平であることから直接わかるのは、その区間に測定した生成物の累積量が増えていないことです。酵素が失活したのか、基質が不足したのかは、このグラフだけでは区別できません。基質は酵素が作用する相手となる物質、失活は酵素が触媒としての働きを失うことです。結果を正しく読めても、原因を1つに決めるには別の実験が必要な場合があります。

対照実験では、酵素量、基質の初濃度、液量、pH、温度、測定時間などを表にして、そろえた条件と変えた条件を分けます。pHは液性の指標です。温度の影響を調べるなら温度だけを変え、他の条件をそろえます。結果の差が小さいときは測定のばらつきも考え、1回の測定のわずかな違いを確実な効果として扱わないことも必要です。

練習問題

練習1　変化の前後を言葉にします

次の文の空欄を埋めます。「DNAをもとにDNAを合成する過程は（ア）、DNAをもとにRNAを合成する過程は（イ）、mRNAの情報にもとづいてアミノ酸をつなぐ過程は（ウ）です。」そのうえで、「翻訳ではDNAを材料にしてタンパク質をつくる」という文の誤りを1文で直します。

練習2　数える範囲を固定します

体細胞の染色体数が2n = 8で、G1期の1細胞当たりの核DNA量を10とする生物があります。DNA量は共通の任意単位です。G2期、減数第1分裂完了後、減数第2分裂完了後について、それぞれ細胞1個当たりの染色体数とDNA量を求めます。通常の減数分裂を考え、DNA複製が起こる回数も答えます。

練習3　「どの中から」を確かめます

Aがaに対して完全優性である形質について、Aaとaaを交配します。遺伝子型による生存率の違いはないとします。子の遺伝子型とその確率、優性の表現型を示す確率を求めます。さらに、優性の表現型を示す子だけから1個体を選んだとき、その遺伝子型がAaである確率を答えます。

練習4　平均の速さと対照を分けます

酵素反応で、条件Pでは0、3、6 minの生成物の累積量が0、9、12 μmol、条件Qでは同じ時刻に0、6、15 μmolでした。3〜6 minの平均反応速度をそれぞれ求めます。PとQでは温度と酵素量の両方が違っていた場合、結果の差を温度だけの影響といえるでしょうか。温度の影響を調べるために、条件をどう組み直すかも答えます。

答えと解説

練習1の答えは、アが複製、イが転写、ウが翻訳です。修正文は「翻訳では、mRNAの情報にもとづいて、アミノ酸を材料としてポリペプチドを合成します」です。情報の出どころと物質の材料を分けて書ければ、語句だけの暗記から一歩進めています。

練習2の答えは、G2期が8本・20、第1分裂完了後が4本・10、第2分裂完了後が4本・5で、DNA複製は分裂に先立って1回です。第2分裂後に染色体数をさらに半分の2本としないようにします。第2分裂では、それまで1本の染色体を構成していた姉妹染色分体が分離して、それぞれ別の細胞へ入ります。

練習3の答えは、Aaが1/2、aaが1/2、優性の表現型の確率が1/2です。優性の表現型の子だけから選んだ場合、Aaの確率は1です。aaの親がAを含む配偶子をつくれないため、この交配ではAAはできません。したがって、例題2の2/3をそのまま使うことはできません。

練習4の答えは、Pが(12 − 9) ÷ 3 = 1 μmol/min、Qが(15 − 6) ÷ 3 = 3 μmol/minです。温度と酵素量が同時に違うため、差を温度だけの影響とはいえません。酵素量をそろえ、基質の初濃度、液量、pH、測定時間なども同じにして、温度だけが違う条件を比較します。観察した差の記述と、その差が生じた理由の記述を分けることがポイントです。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

ここで区別した「数える対象」「条件付きの確率」「変えた要因」は、実験と観察の単元でそのまま使います。顕微鏡で見えた構造を数えるときも、条件ごとのデータをまとめるときも、最初に測定対象と基準を決めます。遺伝情報や代謝に戻る際にも、正誤の印だけでなく、どの条件を読み落としたかが復習する場所を教えてくれます。

家庭で5分あれば、まずG1期、G2期、減数第1分裂後、第2分裂後を紙に並べ、染色体数とDNA量を別々に書いてみます。時間が余ったら、隠した図を見ずに、どこで何が分かれるかを言葉で添えます。別の5分には、手元のグラフを1つ選び、横軸・縦軸・単位・比較した区間を書き出します。「ここから言えること」と「追加の条件がないと言えないこと」を1文ずつ書くと、読み取りと推測の境目が見えてきます。

個別指導で答案を確かめるときは、誤った数値だけでなく、その直前に書いた配偶子や細胞の図まで戻ります。用語の意味が曖昧なら材料と結果へ、計算が合わなければ分母と数える範囲へ戻って確認します。

まとめ

正解を見たときに納得できても、同じ形の問題でまた迷うことがあります。その場合は、正しい数字を覚える前に、自分が数えた対象を答案の横へ書き添えてみましょう。「細胞1個」「優性の表現型の子だけ」「2〜4 minの増加量」という短い言葉が、次に使える判断の手掛かりになります。

生物の答案では、同じ「2倍」でも、何が、いつ、どの範囲で2倍なのかまで書けて初めて説明になります。